Authors:	Rybka, Harald
Title:	Einfluss von aufgelösten subgridskaligen Prozessen : Implementierung und Analyse einer Superparametrisierung im Klimamodell EMAC
Online publication date:	19-Dec-2018
Year of first publication:	2018
Language:	german
Abstract:	Parametrisierungen beschreiben den statistischen Effekt von kleinskaligen Prozessen wie zum Beispiel der Wolkenmikrophysik oder der Konvektion, welche üblicherweise durch grobmaschige Atmosphärenmodelle (GCMs) nicht aufgelöst werden können. Obwohl die Entwicklung in der Klimamodellierung einerseits zu immer höheren Auflösungen strebt, werden andererseits mehr Systeme (Atmosphäre, Ozean, Biosphäre, Chemie, etc.) miteinander vernetzt und komplexer gestaltet. Dies führt dazu, dass auch in den nächsten Jahrzehnten Erdsystemmodelle weiterhin grobe Maschenweiten verwenden und (Konvektions-) Parametrisierungen zur Beschreibung der subgridskaligen Prozesse gebraucht werden. Der Ansatz der Superparametrisierung (SP) ermöglicht die Erfassung der kleinskaligen Atmosphärendynamik durch ein Ensemble an wolkenauflösenden Modellen (CRMs) in jeder GCM-Gitterbox und dient als Ersatz für die Konvektionsparametrisierung und der Beschreibung der Wolkenbedeckung innerhalb von Klimamodellen. Diese Arbeit legt die Sensitivität unterschiedlicher Konfigurationen (Orientierung, Zellengröße und Zellenanzahl) der neu implementierten Superparametrisierung im Modellsystem EMAC dar und beschreibt den Einfluss der subgridskaligen Effekte auf das simulierte Klima. Darüber hinaus werden weitere Prozesse (Strahlung, Transport) auf das CRM-Gitter übertragen, um zukünftig zusätzliche Optionen für das neue Modellsystem SP-EMAC zu schaffen. Die Berücksichtigung von subgridskaligen Prozessen mit SP-EMAC verbessert die Wechselwirkung zwischen Wolken und Strahlung durch eine Verringerung der globalen Wolkenvariabilität im Gegensatz zur konventionell verwendeten Konvektionsparametrisierung. Weiterhin wird die Cirrusbewölkung in SP-EMAC reduziert, welches sich im langwelligen Strahlungshaushalt widerspiegelt. Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Niederschlagsereignissen wird die Verteilung der tropischen Regenmengen realistischer wiedergegeben und der tägliche Niederschlagsverlauf in diesen Regionen optimiert. Diese Verbesserungen stehen im Zusammenhang mit einer geänderten Aufteilung von Wolkenwasser und Wolkeneis innerhalb der Superparametrisierung. Die Berücksichtigung wolkenoptischer und strahlungsrelevanter Prozesse auf dem CRM-Gitter resultiert in einer Erhöhung der Transparenz der Wolken, was in besserer Übereinstimmung mit Beobachtungen steht. Bezüglich der CRM-Konfiguration zeigt sich, dass klimarelevante Größen sensitiver auf eine Veränderung der CRM-Zellengröße als durch eine Modifikation der CRM-Orientierung oder Zellenanzahl reagieren. Abgesehen von der zutreffenderen Prozessbeschreibung auf der Subgrid-Skala belegen Transportsimulationen von kurzlebigen Spurengasen, dass konvektive Transportwege mit Hilfe der Superparametrisierung stark verändert dargestellt werden. Im Zuge dessen zeigen Unterschiede in den Spurengaskonzentrationen, dass die Beschreibung von vertikalen Transportwegen mittels parametrisierter Massenflüsse stark abweichend von einer expliziten Transportroutine unter Verwendung aufgelöster CRM-Vertikalwinde agiert. Die Implementierung der Superparametrisierung in das modulare System von EMAC bringt viele Entwicklungsmöglichkeiten mit sich, um weitere atmosphärische Prozesse für Klimastudien verbessert darzustellen. Parametrisations describe the statistical effect of small-scale processes like cloud microphysics or convection which usually can not be resolved by coarse general circulation models (GCMs). Although developments in atmospheric modelling strive for higher resolutions, a wide variety of systems (atmosphere, ocean, biosphere, chemistry, etc.) have to be cross-linked inducing a higher complexity of the overall model system. This development will lead to Earth System Models still simulating our climate with coarse resolutions in the next decades and using parametrisations to account for subgrid-scale processes. An attempt to use a superparametrisation (SP) allows for capturing small-scale atmospheric features represented by an ensemble of cloud resolving models (CRMs) in every GCM gridbox acting as a replacement for convection parametrisations and cloud cover estimation in GCMs. This work shows the sensitivity of different configurations (orientation, cell size, number of cells) of the newly implemented superparametrisation within the model framework of EMAC and describes subgrid-scale effects on the simulated mean climate. Additionally more processes (radiation, transport) are added to operate on the CRM grid to establish new options for running the new model system called SP-EMAC. Subgrid-scale processes with SP-EMAC improve cloud-radiation interactions by reducing global cloud cover variability in contrast to conventionally applied convection parametrisation Moreover, occurrence of cirrus clouds is lowered reflecting a change in longwave radiation budget. In connection with precipitating events the distribution of tropical rain rates is simulated more realistically and the diurnal cycle of precipitation is optimized. These improvements are related to a change in cloud liquid and cloud ice partitioning within the superparametrisation. Considering simulated cloud optical and radiative processes on the CRM grid results in increased cloud transparency which is in better agreement with observations. Relevant climate variables are more strongly influenced by changing the CRM size than by modifying the orientation or number of CRM cells regarding the sensitivity of SP-EMAC. Aside from the fact that cloud dynamics are better represented with SP-EMAC additional transport simulations demonstrate highly altered convective pathways for short-lived trace gases. A comparison between traditional bulk approaches to describe upward transport of tracers shows diverging results from transport routines using explicitly resolve CRM vertical velocities. The implementation of the superparametrisation within the modular framework of EMAC offers many possibilities to include further small-scale processes for future climate studies.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3860
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000024840
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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